En laseroptisk puls (blå) kommer ind fra venstre ind i hulkernefibrene fyldt med nitrogengas (røde molekyler) og, langs forplantning, oplever en spektral udvidelse mod længere bølgelængder, afbildet som en orange udgangsstråle (til højre). Dette ikke -lineære fænomen er forårsaget af Raman -effekten forbundet med rotationen af gasmolekylerne under laserfeltet, som skematisk illustreret i bundpanelet. Kredit:Riccardo Piccoli (INRS)
Forskere ved Institut national de la recherche scientifique (INRS) har opdaget en omkostningseffektiv måde at justere spektret af en laser til det infrarøde, et bånd af stor interesse for mange laserapplikationer. De samarbejdede med østrigske og russiske forskerhold for at udvikle denne innovation, som nu er genstand for en patentansøgning. Resultaterne af deres arbejde blev for nylig offentliggjort i Optica , flagskibstidsskriftet for Optical Society (OSA).
I dette fagområde, mange laserapplikationer har en afgørende fordel, hvis laserbølgelængden er placeret og muligvis kan indstilles i det infrarøde område. Imidlertid, dette er stadig næppe tilfældet med nuværende ultrahurtige laserteknologier, og forskere har brug for at udforske forskellige ikke -lineære processer for at flytte emissionsbølgelængden. I særdeleshed, den optiske parametriske forstærker (OPA) har hidtil været det eneste veletablerede værktøj til at nå dette infrarøde vindue. Selvom OPA -systemer tilbyder en bred vifte af indstillingsmuligheder, de er komplekse, ofte lavet af flere faser, og ret dyrt.
Teamet af professor Luca Razzari, i samarbejde med professor Roberto Morandotti, har vist, at tuning af stor bølgelængde også kan opnås med et enkelt og meget billigere system:en hulkerne (kapillær) fiber fyldt med nitrogen. Ud over, denne fremgangsmåde leverer let optiske pulser kortere end inputlaseren og med høj rumlig kvalitet. Forskerne havde også fordelen af INRS ekspertise på dette område, da det særlige system til at strække og holde sådanne fibre markedsføres ved opstart af få cyklusser.
Asymmetrisk spektral udvidelse
Som regel, hulkernefibre fyldes med en monatomisk gas, såsom argon, for symmetrisk at udvide laserens spektrum og derefter komprimere det til en meget kortere optisk puls. Forskergruppen opdagede, at ved at bruge en molekylær gas som nitrogen, spektral udvidelse var stadig mulig, men på en uventet måde.
"I stedet for at sprede sig symmetrisk, spektret blev imponerende forskudt mod mindre energiske infrarøde bølgelængder. Dette frekvensskift er resultatet af den ikke -lineære respons, der er forbundet med rotation af gasmolekylerne og, som sådan, det kan let styres ved at variere gastrykket (dvs. antallet af molekyler) i fiberen, "forklarer Dr. Riccardo Piccoli, der ledede eksperimenterne i Razzaris team.
Når strålen er udvidet mod infrarød, forskerne filtrerer outputspektret for kun at beholde interessebåndet. Med denne tilgang, energi overføres til det nær-infrarøde spektrale område (med effektivitet, der kan sammenlignes med OPA'ernes) i en puls tre gange kortere end input, uden noget komplekst apparat eller yderligere puls efterkomprimeringssystem.
Et internationalt samarbejde
For at afslutte forskningen, INRS -forskerne sluttede sig til østrigske og russiske kolleger. "Vi samlede vores ekspertise efter at have opdaget på en konference, hvor ens de fænomener vores to grupper havde observeret var, "siger Razzari.
Teamet af forskere med base i Wien under ledelse af professor Andrius Baltuska og Dr. Paolo A. Carpeggiani havde en supplerende strategi til INRS. De brugte også en nitrogenfyldt hulkerne, men i stedet for at filtrere spektret, de komprimerede det i tide med spejle, der var i stand til at justere fasen af den udvidede puls. "I dette tilfælde, det overordnede skift i infrarød var mindre ekstremt, men den sidste puls var meget kortere og mere intens, perfekt egnet til attosekund og stærkfeltfysik, "siger Dr. Carpeggiani.
Det Moskva-baserede hold, ledet af professor Aleksei Zheltikov, fokuseret på at udvikle en teoretisk model til at forklare disse optiske fænomener. Ved at kombinere disse tre tilgange, forskerne var i stand til fuldt ud at forstå den komplekse underliggende dynamik samt ikke kun opnå det ekstreme røde skift ved hjælp af nitrogen, men også effektiv pulskomprimering i det infrarøde område.
Det internationale team mener, at metoden meget vel kunne imødekomme den stigende efterspørgsel efter ultrahurtige kilder med lang bølgelængde i laser- og stærke feltapplikationer, startende med billigere indstillelige systemer i industriel kvalitet baseret på den nye ytterbium-laserteknologi.